不同環境下瓶鼻海豚click信號及仿真分析

陳晟，牛富強，林長倫，劉偉

不同環境下瓶鼻海豚click信號及仿真分析

陳晟1，牛富強1，林長倫2，劉偉2

(1. 自然資源部第三海洋研究所，福建廈門 361005；2. 廈門市漁港漁船管理處，福建廈門 361005)

瓶鼻海豚click信號具有較高的分辨率和抗混響性，但國內對其研究和應用仍然不足。利用寬帶高頻記錄系統，對瓶鼻海豚在水池環境近距離目標以及自然環境下產生的click信號進行記錄。經過統計和對比分析，瓶鼻海豚在水池環境下產生的click信號相比于自然環境下產生的click信號，信號長度更長，頻率更低，帶寬更窄。建立并利用瓶鼻海豚click信號的波形簡化表達式，對仿生瓶鼻海豚click信號的模糊函數開展進一步仿真分析，結果表明，自然環境下的瓶鼻海豚click信號信號長度更短，有利于目標的分辨；水池環境下的瓶鼻海豚click信號，峰值頻率更低，頻帶更窄，有利于抗混響。

瓶鼻海豚；click信號；信號長度；頻率；抗混響

0 引言

眾所周知，海豚具有相當完善的聲吶系統。經過億萬年的自然進化，海豚聲吶具有驚人的靈活性和抗干擾能力，能根據定位距離的遠近，自適應地改變發聲頻率，可適應近岸淺海的復雜海洋環境，其性能在某些方面已遠遠超過了當前使用的人工聲吶。目前國內外，一般將海豚發出的聲音分為三大類[1]：滴答聲(click)、哨叫聲(whistle)和爆裂脈沖(burst pulse)。海豚的whistle信號是一種時間連續信號，頻率分布一般幾千赫茲到幾萬赫茲之間，主要用于交流通訊；burst pulse信號屬于應急、突發信號，用于個體情緒表達；海豚的click信號屬于高頻、窄脈沖信號，用于定位、探測、識別等，由于該信號波形在復雜環境下(如淺海、渾濁水域)能對小目標進行探測和識別，適合人工聲吶的仿生借鑒，因此引起了國內外眾多學者的關注。90年代開始，美國以AU為代表的學者針對寬吻海豚的聲吶系統開展了深入研究[1-2]，進行了大量的海豚聲吶對目標的識別實驗，近年來已開始利用仿生聲吶完成探測掩埋雷、水雷識別、水下蛙人識別、混響中目標識別等。2007年，文獻[3]中的英國赫瑞瓦特大學CHRIS教授等利用仿寬吻海豚寬帶聲吶信號進行海底地貌觀測，并將仿海豚的click信號與側掃聲吶結合，完成了海底掩埋線纜的探測任務。2015年，美國SpeakDolphin項目組利用水下傳聲器接收的海豚聲吶信號，得到了潛水員的模糊輪廓[4]。近些年，國內也開展了一些海豚仿生應用，包括將海豚whistle信號用于隱蔽水聲通信技術[5-6]，還有一些仿海豚click信號分析，click信號目標回波分析等[7-9]，在這些仿生應用中，采用的海豚發聲信號主要是通過查閱文獻仿真或下載網絡上經降采樣處理后的信號，這些信號有可能畸變較大，給仿生分析結果帶來不利。國內對海豚click信號測量記錄方面，因受測試系統的頻帶、實驗條件和方法限制，有一些相關記錄[10-11]，準確長期的觀測記錄依然較為缺乏。本文借助于廈門火燒嶼的兩只瓶鼻海豚，通過開展適應性訓練、尋找目標實驗，記錄了大量瓶鼻海豚在水池中狹窄水道里尋找近距離目標的軸向click信號數據，并展開分析。

1 瓶鼻海豚Click信號記錄

1.1 實驗海豚及方法

2017年09月～2018年02月，對廈門火燒嶼的兩只瓶鼻海豚的發聲進行現場記錄，每次記錄時間大約在4 h，共記錄10次80段(每段約3 min)原始發聲數據。兩只瓶鼻海豚分別為中年雄豚(M1)、中年雄豚(Y2)，實驗期間海豚的基本情況如表1所示。

表1 兩只瓶鼻海豚基本情況

1.2 實驗系統的構建

這兩只瓶鼻海豚在自然環境、自由游泳狀態下的click信號，在2011年已經進行過觀測和記錄[10]，2017年它們被移入新的圓形2#水池環境，水池直徑為5 m，深度為3 m，水池右方有個狹長過道，寬1.2 m，長2 m，深3 m。對于新的環境，首先開展適應性訓練，然后將其引入狹長過道，進行尋找目標實驗。構建的實驗系統和實驗現場情況如圖1所示。

圖1中目標分別位于距離水聽器0.5 m和1 m處，目標深度與水聽器深度一致，均為水下0.5 m。目標1為銅球，直徑有5、10 cm兩種；目標2為橡皮球，直徑為5、10、15 cm三種。經過訓練后的海豚頭部位于水聽器前1 m的方框中，方框的上沿深度也為水下0.5 m左右，盡量使水聽器接收到海豚發出的軸向click信號。

本實驗采用的水聽器為Reson公司的全方向性水聽器TC 4014(含前置放大)。TC 4014線性頻率響應范圍為25 Hz～250 kHz(±3 dB)，靈敏度為(–186±3) dB re: 1 V/μPa。水聽器與Reson公司的高通濾波放大器VP1000相連。VP1000具有6檔可調增益，范圍為0～32 dB，12檔高通濾波，范圍為0.1 Hz～50 kHz。模數(A/D)轉換采集設備為NI公司的高頻采集卡USB 6251。USB 6251具有16個輸入通道，單通道最高采樣率為1.25 MHz，轉換位數16 bits，量程±10 V。存儲設備為Lenovo公司的筆記本電腦Thinkpad W530。

圖1 實驗現場示意

水聽器接收到信號后，經由濾波放大器，通過A/D轉換采集設備將模擬信號轉換成數字信號，儲存在電腦硬盤上。本實驗中采用單通道測量，采樣率設置為500 kHz，濾波放大器低頻截止頻率設置為1 kHz，增益設置為26 dB。采集過程由Labview軟件編寫的程序進行控制。

1.3 數據分析方法

2 實驗結果及分析

2.1 瓶鼻海豚click信號的時域波形

水池記錄的瓶鼻海豚click信號(圖2)與其它海豚的一樣，通常以一簇一簇的脈沖序列形式出現，可以應用Adobe Audition軟件或Matalab軟件對記錄的波形進行查看，如圖2(a)所示。在水池實驗中，取出一段記錄時間為0.09 s的click信號序列波形進行查看(圖2(a))，再取單個波形，放大后如圖2(c)所示，其相應的頻譜如圖2(d)所示；2011年在自然環境下記錄時間3 s內click信號序列波形[10]如圖2(b)所示。

紅骷髏占據了原來往生塔的位置，往生塔的大門，便是此時它的大口。天葬師閉著眼睛，站在它的口中，心口的位置，有一道刀刃留下的傷口，一縷鮮血從中流出，卻轉眼消散在了周圍的空氣中。

(a) 水池中記錄的click序列